synchronized的实现原理与应用

文章目录

  • java对象头
    • MarkWord
  • 锁升级
    • 偏向锁
    • 轻量级锁
    • 锁优化
  • 锁的优缺点对比

java对象头

MarkWord

这部分主要用来存储对象自身的运行时数据,如hashcode、gc分代年龄等。mark word的位长度为JVM的一个Word大小,也就是说32位JVM的Mark word为32位,64位JVM为64位。
为了让一个字大小存储更多的信息,JVM将字的最低两个位设置为标记位,不同标记位下的Mark Word示意如下:

synchronized的实现原理与应用_第1张图片
Java对象头里的Mark Word里默认存储对象的HashCode、分代年龄和锁标记位。
在运行期间,Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。Mark Word可能变化为存储以下4种数据,如下表所示。

synchronized的实现原理与应用_第2张图片

锁升级

首先让我们先来了解下锁的升级过程(如下图所示):

synchronized的实现原理与应用_第3张图片
PS:还有一张比较全的总结图,从别处找的,总结的挺全的

偏向锁

大多数情况下,锁不仅不存在多线程竞争,而且总是由同一线程多次获得,为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。当一个线程访问同步块并获取锁时,会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID,以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁,只需简单地测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果测试成功,表示线程已经获得了锁。如果测试失败,则需要再测试一下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1(表示当前是偏向锁):如果没有设置,则使用CAS竞争锁;如果设置了,则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。

偏向锁的初始化流程:

synchronized的实现原理与应用_第4张图片

轻量级锁

(1)轻量级锁加锁
线程在执行同步块之前,JVM会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间,并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中,官方称为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功,当前线程获得锁,如果失败,表示其他线程竞争锁,当前线程便尝试使用自旋来获取锁。
(2)轻量级锁解锁
轻量级解锁时,会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替换回到对象头,如果成功,则表示没有竞争发生。如果失败,表示当前锁存在竞争,锁就会膨胀成重量级锁。下图是两个线程同时争夺锁,导致锁膨胀的流程图。

synchronized的实现原理与应用_第5张图片

锁优化

  • 锁消除:在单线 程的场景下,需达到一定次数的调用才可以进行锁消除.
  • 锁粗化:单线程或多线程场景下,所有线程操作均为不耗时的操作,jvm会对锁会进行锁粗化

锁的优缺点对比

优点 缺点 使用场景
偏向锁 加锁和解锁不需要额外的消耗,与存在非同步方法执行时只存在纳秒级的差距 如果线程之间存在锁竞争,会带来额外的锁撤销消耗 适用于一个线程访问同步块的场景
轻量级锁 竞争的线程不会阻塞,提高了程序的效应速度 如果始终得不到锁竞争的线程,会自旋额外消耗CPU性能 追求响应时间,同步块执行速度快
重量级锁 线程之间不使用自旋,不会消耗CPU性能 线程阻塞,响应时间缓慢 追求吞吐量,同步块执行速度较长

小结:本节一些内容参考了HotSpot源码、对象头源码以及其他源码中的类文件ObjectMonitor.cpp等等

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